高应变率下灰砂比对全尾胶结充填体力学性能影响

为研究采矿扰动下灰砂比对全尾胶结充填体力学响应,预制了三组不同灰砂比的全尾砂胶结充填体试件,利用ф50 mm SHPB试验系统,对预制试件进行单轴冲击试验,试验结果证明:全尾砂胶结充填体对弹性波传播有较强的反射和阻尼作用;在较高应变率下,试件强度则表现出快速软化;软化试件在18μs左右即达到峰值应力;试件动态抗压强度等参数变比均随应变率的增加而增大.灰砂比越高,试件的极限动态抗压强度等参数越大;在相同应变率下,试件的动态抗压强度等参数的增加反而降低.试件的破坏形式为压碎破坏,在相同应变率作用下,水泥含量越少,试件的破坏程度越高.     

考虑裂缝影响的页岩三轴压缩实验研究

为了探究页岩的破坏特征以及力学性质与裂缝之间的关系以及影响机理,本文采用RTR-1000岩石三轴力学测试系统对含不同裂缝（控制单一变量,使裂缝的条数、倾角、深度、填充物分别不同）页岩实施三轴实验,研究了不同裂缝形态下页岩的峰值应力、弹性模量以及破坏形式。实验结果表明：随着裂缝深度的增大,试件的弹性模量和峰值应力越小,同时破裂面与轴向应力的夹角变小;随着试件所含的的裂缝角度逐渐增大,页岩样品的弹性模量以及峰值压力的变化均表现凹型,并且随角度增大破裂面形态发生变化,当倾角为45° 时峰值应力和弹性模量降至最低;随着裂缝条数的增加,试件的弹性模量和峰值应力越小,其破坏形式为张拉和剪切破坏共存;随着裂缝充填物中方解石含量的增大,试件的弹性模量和峰值应力先减小再增大,当充填物中方解石含量为50 % 时值最小,并且岩样破坏主要是剪切破坏,随着方解石含量的增加,破裂面越容易经过填充带。     

冲击载荷下胶结充填体的力学性能及能耗特征

为得到中等应变率下全尾砂胶结充填体动态力学性能及破坏规律,采用分离式霍普金森杆(SHPB)试验技术对全尾砂胶结充填体进行了冲击加载试验.试验结果表明:充填体的动态抗压强度及动态抗压强度增长因子随平均应变率的增加均呈线性增长规律,灰砂比越高,充填体的动态抗压强度越大,但动态强度增长因子越小;充填体的韧性指数与平均应变率对数具有显著的正相关性,与静态加载下相比,韧性指数呈几何倍数递减;动载冲击下,充填体的破坏形态主要为轴向宏观主裂缝拉伸破坏及压碎破坏,当平均应变率高于临界值时,充填体破坏形态为压碎破坏;在相同应变率作用下,充填体的单位体积吸收能和单位质量充填体破碎耗能随着平均应变率的增加呈指数函数增长规律,水泥含量越高的充填体具有越高的破碎耗能及单位体积吸收能,且破坏损伤程度越小.     

不同厚度充填体—围岩组合体力学性质及损伤本构

为探究充填体厚度变化对充填体-围岩组合体力学性能的影响规律,开展了5种不同厚度充填体-围岩组合体试件单轴压缩试验,结合数字散斑技术对试件破坏模式的变化进行分析,建立考虑峰后应变软化阶段的分段式损伤本构模型对全过程应力-应变关系进行描述。分析结果表明,充填体厚度变化对组合试件力学性能与破坏模式影响显著。随着充填体厚度由0 mm增加至100 mm,试件峰值强度由94.6 MPa呈指数关系下降至10.1 MPa,峰值应变由0.30下降至0.06,弹性模量呈先下降后上升变化趋势;利用数字散斑技术分析发现,随着充填体厚度增加,破坏模式逐渐由脆性剪切破坏过渡为拉剪复合破坏,最终发展为由充填体内部发生“X”形剪切破坏而引起的拉伸劈裂破坏;通过改变分段式损伤本构模型的分布参数与修正系数,可较好地表征不同充填体厚度试件的全过程应力-应变曲线,验证结果表明模型适用性较好;充填体厚度越大,由充填体存在而引起的试样初始损伤越大,达到峰值应变时,损伤变量D未达到1,试件延性破坏特征越明显,破坏后残余强度越高。     

温度对全再生混凝土三轴受压性能及破坏准则影响

为研究温度对全再生混凝土三轴受压力学性能及破坏准则的影响,设计制作了30个经不同温度后的全再生混凝土试件进行了三轴受压试验.研究表明:单轴应力条件下,随着温度上升,试件裂缝破碎带变宽;三轴应力条件下,随着温度上升,试件破坏形态由斜面剪切破坏向层状劈裂破坏转变.其次,随着温度上升,抗压强度、弹性模量均呈逐渐下降趋势,但峰值应变则呈逐渐上升的变化趋势;相对于单轴受压状态,温度影响明显减小.最后,根据过镇海模型和M-C理论,分别给出了峰值应力、峰值应变及弹性模量与温度之间的相互关系式,以及M-C理论包络曲线方程.     

层状砂岩静动力学特性对比

文章为研究层状砂岩在冲击荷载和静荷载作用下层状砂岩的力学特性,对层理倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°的试样进行冲击压缩实验和静力压缩实验。对2种试验的结果进行对比分析发现：随层面倾角增大,砂岩峰值强度先减小再后增大;试样冲击压缩时试样峰值强度较大;静载条件下,随角度的增大,弹性模量与强度均而先增加后减小再增加,冲击压缩时,随角度的增加,弹性模量的变化呈先增加再减小的趋势,强度的变化呈先减小后增大的“U”形;单轴压缩实验中,倾角为0°~75°试样发生剪切破坏,倾角为90°的试样发生劈裂和剪切混合破坏;冲击荷载作用下,试样在倾角0°~60°时破碎形状为块状,倾角在75°和90°时破坏形状为块状和片状混合。     

双轴压缩下缓倾层状砂岩力学特性及损伤本构模型研究

为揭示缓倾层状岩石在双轴应力状态下的力学特征与损伤演化规律,开展15°倾角以内层状砂岩的双轴压缩试验。为准确描述层状岩石的损伤演化过程,采用等效应变原理,结合横观各向同性岩石的弹性本构关系和统计损伤力学理论,建立双轴应力作用下层状岩石的统计损伤本构模型,并对试样压密段进行修正。分别采用解析法和拟合法对统计损伤模型进行求解验证。研究结果表明：缓倾层状砂岩在双轴应力作用下,其峰值强度和弹性模量均随层理倾角的增大而减小,随侧压的增大而增大;试样在破坏时均表现出劈裂和剪切复合型破坏的形态,随着层理倾角增加,试样破坏的主控因素逐渐由穿切层面的剪切裂纹转变为沿层面的剪切裂纹,随着侧压增大,试样破坏时产生的宏观裂纹逐渐增多,试样被这些裂纹切割成块,甚至出现板裂状剥落破坏;在压密段采用拟合法、弹性段和峰值后区采用解析法所得到的模型曲线与试验曲线吻合很好,所建立的损伤本构方程可以较好地反映缓倾层状岩石在双轴压缩下的损伤效应。     

深部砂岩动态冲击破坏的力学特性研究

为了研究深部砂岩在热-水-力耦合作用下的动力学特性,利用自主研发的热-水-力耦合三轴岩土体动态冲击力学试验系统,分析了动态冲击下深部砂岩的力学参数并从能量的角度描述其破坏形态。研究结果表明:在具有主动围压、轴压、渗透水压及温度的耦合作用下,冲击气压增大时,深部砂岩的应力-应变曲线的峰值应力随之增大;深部砂岩的峰值应力与应变率变化表现出明显的正相关性,具体表现为随着应变率的增大,峰值应力不断增大;随着冲击气压的增大,破碎程度不断加大,深部砂岩的破坏形态向压剪破坏过渡和发展,岩石试件的破坏形态呈脆性向延性转变的趋势。试验结果可以为深部砂岩在实际爆破工程中提供参数支撑。     

加载速率对不同温度状态石灰岩力学性能影响的试验研究

借助美国MTS810电液伺服材料试验机和高温炉,对常温和600℃两种温度状态下石灰岩试件进行不同加载速率下的单轴压缩试验,得到石灰岩力学性能随加载速率的变化规律。结果表明:常温时,石灰岩岩样在3×10-4~3×10-3 mm/s的低应变率范围内,加载速率对峰值应力和弹性模量影响不大,在加载速率为3×10-3~3×10-1 mm/s的区段内,峰值应力和弹性模量均呈明显上升趋势;600℃时,峰值应力和弹性模量随加载速率增加变化不大。常温时,不同加载速率下石灰岩岩样均为竖向劈裂破坏,且在3×10-3~3×10-1 mm/s的加载速率区段中,随加载速率的增加,劈裂面逐渐增多;600℃时,石灰岩岩样在不同加载速率下均为剪切破坏。     

新延安隧道层状页岩力学性能试验研究

为研究新延安隧道层状页岩的力学特性和破坏特征，分析层理面不同倾角对岩石力学参数的影响，本文分别进行了不同层理角度下的室内单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂试验及数值单轴压缩和三轴压缩试验。通过室内试验分析，峰值强度随倾角增加呈先减小后增大的趋势；抗压强度呈“U”型趋势，弹性模量呈“V”型变化。通过大量数值模拟试验拓展了室内试验范围并分别拟合了抗压强度和弹性模量随倾角变化关系式；围压的增大弱化了页岩各向异性，但随着围压的不断增大弱化程度减小；黏聚力对层状页岩强度的弱化程度远远大于内摩擦角；抗拉强度随倾角的增大逐渐减小；倾角不同层状页岩的破坏模式也不同，单轴压缩时，0°为张拉破坏，30°~60°时发生由弱面控制的沿层理面发生的剪切滑移破坏，90°时产生劈裂张拉破坏。三轴压缩时不同层理面倾角的页岩试件主要发生剪切破坏。     

胶结充填体冲击破坏及损伤演化数值模拟研究

为定量描述胶结充填体在动载作用下的损伤程度及破坏过程,利用数值模拟软件对胶结充填体进行SHPB动态冲击,并通过室内SHPB冲击试验结果验证数值模拟方法的可行性. 对不同冲击速度（1.5 ,1.7 ,1.8 ,2.0 m/s）条件下4种配比胶结充填体（灰砂质量比分别为1∶4, 1∶6, 1∶8, 1∶10）,采用微裂纹密度法定义损伤变量值d,进行损伤规律及破坏过程的数值模拟研究. 结果表明:数值模拟中使用波形整形器可获得更加理想的矩形波,使试件同一平面单元所受应力均匀,无应力集中现象;数值模拟结果很好地展现了胶结充填体的动态破坏过程,其整体破坏趋势为边缘发生剥落后裂纹向内部延伸与贯穿;在加载速度从1.7 m/s增加至1.8 m/s的过程中,损伤变量增大幅度超过10％;冲击速度由1.5 m/s增加至2.0 m/s的过程中,灰砂质量比为1∶4, 1∶6, 1∶8和1∶10的胶结充填体的损伤变量d变化范围分别为0.238～0.336,0.274～0.413,0.391～0.547,0.473～0.617,灰砂质量比1∶6变化至1∶8时,出现明显的损伤“跃升”现象.      

加载速率对分层充填体强度特性的影响

随着阶段嗣后充填采矿法的广泛应用,相邻矿体的开采扰动必然会对分层充填体的力学性能产生影响。为了研究不同加载速率对分层充填体强度特性和破坏模式的影响,分别对养护3、7、28天的分层充填体进行了0.2 、0.5、1.0、1.5、2.0 mm/min 5种加载速率下的单轴压缩试验,根据不同加载速率的单轴抗压强度试验结果,分析了不同养护龄期的分层充填体强度及破坏模式与加载速率之间的关系并建立了回归方程。试验结果表明:不同加载速率下分层充填体的应力应变曲线与完整充填体类似。养护龄期3天时,分层充填体的单轴抗压强度随加载速率的增加而逐渐减小,养护龄期7、28天时,存在临界加载速率现象。在临界加载速率范围内,提高加载速率可以限制初始缺陷的发育,达到临界加载速率后,加载速率将会促进分层结构面的分离、错动及原始缺陷的扩展延伸,抗压强度降低。分层充填体的破坏模式随加载速率变化,在临界加载速率时破坏模式有明显转变,随着加载速率的增加,养护3天时,分层充填体的破坏模式由拉伸剪切混合破坏变为拉伸破坏。养护7、28天时,当达到临界加载速率时破坏模式转变共轭剪切破坏,中间层破坏严重且与上下两层产生明显分离、错动。本研究通过室内试验得到临界加载速率,为研究分层充填体的强度特性提供了重要的研究依据。     

花岗岩动态劈裂拉伸实验及动力作用机制

岩石作为一种常见的工程材料,其动态拉伸力学性能的准确核定及其破坏机理至关重要。借助霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)实验装置,对75块花岗岩试样进行了不同冲击速度下的动态劈裂拉伸实验,分析其动态强度与变形的应变率效应,以及冲击劈裂后的破坏形态,进而得到花岗岩试样的应变率、应力峰值、弹性模量等相关力学参数之间的关系。研究表明,在动态劈裂实验中,应变率约在100 s^-1左右,花岗岩试样开始出现裂纹;应变率在100～150 s^-1内,花岗岩试样在冲击后为破碎状态;当应变率超过150 s^-1后花岗岩在冲击加载后试样为粉碎的状态。随着应变率的逐渐增大,动态拉伸弹性模量逐渐增加,但峰值应变却随着应变率的增大而逐渐减小,表明随着应变率的提高,花岗岩的变形能力变差,更易破坏。同时提出了动态拉伸敏感性指标,该指标物理意义明确,能够准确反映岩石类准脆性介质在动态拉伸受力情况下的率效应。进而通过数值模拟,分析验证了冲击劈裂实验的应力波传播三阶段、试样破坏特性及裂纹衍生规律。进一步地,基于Hop...     

深海多金属硫化物力学特性的试验研究

以深海多金属硫化物自身特性为研究对象,对其样品矿物试件进行不同围压下的单/三轴破碎试验,得到深海多金属硫化物破碎全过程的应力-应变曲线,在试验数据的基础上分析矿石的破碎过程、破坏特征、适合的强度准则以及弹性模量、起裂应力和峰值强度等参数的变化规律等,研究结果表明:深海多金属硫化物矿石的破碎过程与普通岩石的破碎过程基本类似,分为OA,AB,BC,CD和DE共5个阶段,其中OA阶段往往不明显;多金属硫化物的破坏形式主要有3种,分别为横向破坏、剪切破坏和全面破坏,试件的最后破坏形式往往与施加的围压密切相关;Mohr-Coulomb强度准则更加适合判断多金属硫化物的破碎;所施加的围压越大,多金属硫化物试件的弹性模量越小;对不同的矿物试件,起裂应力和峰值强度与围压的关系是施加的围压越大,矿石的峰值强度与起裂应力之间的差值越大。     

基于声发射参数的混凝土循环加卸载动态损伤破坏特性研究

对5种不同几何尺寸与不同配合比的混凝土试件进行了不同加载速率下的单轴压缩试验,同步进行了声发射(AE)数据的采集;在对比分析AE参数与应力应变关系的基础上,进行了不同加载速率下的混凝土损伤机理与破坏机制研究;通过分析不同加载速率下的应力应变全曲线,研究了循环加卸载中的损伤破坏特性的速率效应;构建了基于AE参数的损伤变量模型,并基于该模型进行了动态损伤特性分析.结果表明:混凝土的峰值应力与弹性模量随加载速率的提高而增大,表现出明显的规律性;但峰值应变随加载速率的变化而表现出较大的离散性.峰值应力前的AE能量随加载速率的提高而增加;加载速率越大,上升幅度越大,峰前释放的能量越大,混凝土内部破坏越严重,残余能量不足以维持试件继续承受更多的循环加卸载而直接进入破坏阶段;峰后可完成的循环加卸载次数随着加载速率的提高而减少.在不同加载速率下材料损伤破坏的路径不同,但损伤起点与破坏终点是重合的;随加载速度提高,损伤破坏的路径变短,加载速率差异越大,损伤破坏路径差异越大;混凝土在不同应力阶段的损伤程度及破坏形态与加载速率有较强的相关性.加载速率的提高改变了混凝土的能量释放过程与方式,形成了不同的损伤破坏机制,在不同加载速率下的损伤破坏机理存在较大差异.     

不同应变率下再生混凝土动态力学性能分析

基于动态损伤问题的势能原理基面力元法,利用再生混凝土随机圆骨料模型,针对应变率敏感性对再生混凝土动态力学性能的影响问题进行研究,讨论了不同应变率(10-5/s~10-2/s)下,再生混凝土立方体试件的应力—应变关系的变化规律。研究结果表明:随应变率的增大,试件的峰值应力、弹性模量逐渐增大,基面力元法可以用于模拟再生混凝土细观结构和宏观动态力学性能的关系。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验研究

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

动载下高浓度全尾砂胶结充填体的力学特性

为了研究动载下高浓度全尾砂胶结充填体(HTB)的力学性能,制备直径×长度为50 mm×25 mm的HTB试件,通过静态单轴压缩试验和分离式霍普金森杆(SHPB)单轴冲击试验,对试件的动静荷载下的力学性质进行比较,研究试件动态抗压强度、动态应变、强度增强因子、比能量吸收与平均应变率之间的关系。研究结果表明:HTB试件对弹性波传播有较强的阻尼作用;HTB试件临界破坏的平均应变率为103 s-1,最大应变率可达265 s-1;随着应变率增大,试件的动态抗压强度、动态强度增长因子、峰值应变随之增大,应变率越高,达到峰值强度历时越短;动载下HTB试件出现1~2次破坏-压实过程;在低应变率下,试件沿轴向呈现脆性劈裂破坏,在高应变率下,破坏形式为压碎破坏;随着入射能量增大,反射能、试块吸收能量及比能量吸收均呈线性增长趋势,由于波阻抗效应,透射能较小,试块具有较强的吸收和反射能特性。     

考虑层理、加载速率与尺寸效应的页岩裂纹扩展机理试验

分析裂纹扩展演化机理是认识井壁坍塌失稳的关键,尤其是层理和脆性特征显著的页岩地层,伴有节理与微裂隙发育,研究其裂纹扩展演化机制对于确定钻井导向、钻速及井眼尺寸更显重要。为此利用材料试验机开展了考虑层理倾角、加载速率与试件尺寸的页岩裂纹扩展演化试验研究。结果表明页岩层理平行于载荷时,裂纹沿层理呈张性破坏。层理倾角由0°~30°时,裂纹扩展形态由张性破坏向剪切破坏转变;当层理与轴向应力呈30°倾角时,剪切破坏最为明显,裂纹的平均扩展速率最大,且抗压强度最小;层理倾角由30°~90°时,裂纹由剪切破坏;逐渐转向张性破坏,当层理与轴向载荷垂直时,试件裂纹切割层理片层发生张性破坏。随加载率的增加,页岩峰值应力增大,裂纹长度逐渐减小,但加载速率越小,破坏后的页岩越为碎裂;在侧向尺寸不变的条件下,试件高度越大,越呈现张性破坏,主裂纹越长,且破碎后的页岩越呈现片状。     

铀尾砂胶结充填体三轴压缩试验及非线性强度准则研究

充填采矿法是矿山开采的重要施工方法,探究尾砂胶结充填体回填采空区后的强度特性具有重要的理论研究和工程实际意义。以铀尾砂胶结充填体为研究对象,研究砂灰比和围压对胶结充填体力学性能的影响。随后基于三种强度理论,以试验数据为基准,对不同砂灰比铀尾砂胶结充填体强度进行预测。结果表明：砂灰比对尾砂胶结充填体的力学特性有较大的影响;砂灰比为4,围压小于4 MPa时,铀尾砂胶结充填体的应力-应变曲线呈应变软化型,砂灰比大于4,铀尾砂胶结充填体的应力-应变曲线呈应变硬化型。黏聚力和内摩擦角随着砂灰比的增大而减小,逐渐趋于平稳,并呈指数下降趋势。Rocker准则公式简单,能精准地预测不同砂灰比条件下铀尾砂胶结充填体的强度。提出考虑砂灰比的铀尾砂胶结充填体的Rocker强度准则,并验证其具有良好的预测效果。研究成果为矿山充填开采提供了有益的参考。